ENGINEERINGNET.BE - De roep om VLEO is echter niet louter defensiegerelateerd. De meest courante hoogtes waarop satellieten vliegen -500 à 800 km hoog- kennen een zekere congestie en er is ook het ruimteafvalprobleem.
Het Kessler-effect wil dat elk stukje ruimtepuin het risico op een botsing met een satelliet vergroot. Elke nieuwe botsing brengt exponentieel meer puin in een baan dat daar jaren blijft rondrennen. Uiteindelijk wordt het risico op botsingen zo groot dat bepaalde banen onmogelijk zullen worden…
Een VLEO-baan kent echter veel minder ruimteschroot. Op die lage hoogte vervalt de baan van elke satelliet of brokstuk waardoor die snel -een kwestie van maanden, toch- in de atmosfeer opbrandt. Elk voordeel heeft echter een nadeel: om een satelliet in zo’n baan te houden is er regelmatig extra propulsie nodig.
Bovendien verstoren atmosferische effecten de baan. Het is dan ook een hele uitdaging om er een satelliet te plaatsen die het een aantal jaar kan uitzingen. Demonstreren dat dit wél mogelijk is, is het doel van de SkimSat-satelliet die Redwire Europe met het Britse Thales Alenia Space voor ESA’s SkimSat-missie ontwikkelt.
Het werk begint niet van nul. De Europese GOCE, één van de allereerste VLEO-satellieten, deed tussen 2009 en 2013 graviteitsmetingen op 260 km hoogte. Die data worden vandaag nóg onderzocht. De beeldresolutie en signal-noise ratio bleken op die hoogte (veel) beter. Je haalt er betere resoluties met goedkopere camera’s, of je ziet met dure camera’s veel meer. Communiceren vergt er minder vermogen en de latentie is beter.
Ook detecteren (RF, microgolfinstrumenten,…) lukt beter. De elektronica van satellieten is gevoelig voor radiatie maar op een VLEO-baan kan je conventionelere -minder geharde- componenten gebruiken. Natuurlijk is daar ook militaire interesse voor. Anderzijds is er wel het probleem van de atomaire zuurstof die vrij corrosief blijkt voor bepaalde materialen. Men zoekt naar coatings en andere oplossingen om materiaaldegradatie tegen te gaan van zonnepanelen, camera’s,…
Uitdagingen zat
Redwire (zie kader 1) werkt aan twee verschillende VLEO’s. In de VS sleutelt het aan de SabreSat, die een ‘luchthappende’ elektrische voortstuwing zal kennen die ontwikkeld wordt in DARPA’s Otter programma. Het Phantom-platform, dat de Europese SkimSat-satelliet meeneemt, zal het stellen met een klassiekere voortstuwing. Er wordt echter niet gekozen voor een chemische maar een elektrische propulsie. Een gas -xenon, krypton of dergelijke- wordt geïoniseerd en uitgestoten om de ‘drag’ te compenseren met pufjes van tienden van Newtons. “Onze Britse partner -Thales Alenia Space- staat in voor de demo-missie en het propulsiesysteem. Het grootste deel wordt door ons ontwikkeld en geïntegreerd”, zegt Frank Preud’homme (58), vice-president business development Redwire Europe.
Het Phantom-platform, dat Redwire Europe integreert, zal minder dan 300 kg wegen om een nuttige lading van 50 kg te kunnen meedragen. Hij krijgt een aerodynamisch ontwerp dat minder ‘drag’ of luchtweerstand kent en dus minder extra brandstof vergt. “We werken met het Von Karman Instituut (VKI) samen om (simulatie)testen te doen om de structuur en de vorm van de satelliet te bepalen”, zegt Preud’homme. Richtlijnen rond zero debris mitigatie vergen dat het toestel ook brandstof meeheeft om na vijf jaar zijn baan aan te passen om in de atmosfeer op te branden.
In een verdere toekomst is het idee om helemaal geen gas meer mee te nemen maar laag genoeg te vliegen om lucht of stikstof in te slaan. Een ‘air-breathing’ of luchthappende satelliet, dus. “Deze technologie, die vandaag nog niet matuur is, zou wel toelaten om onbeperkte tijd in de ruimte te blijven. Wij voorzien dat als een evolutie.” Of het ook wel degelijk zal werken in de praktijk? “De ionosfeer, boven de 100 km, blijkt nog niet zo goed gekarakteriseerd”, zegt Preud’homme.
Een satelliet van 500 naar 250 km hoogte brengen om ‘lucht te happen’ -LEO to VLEO- en terug “is de droom van militairen maar fysisch is dat nu niet mogelijk. Het vergt allerhande extra voorzorgen.” Op VLEO-hoogte degraderen atomaire zuurstof -ATOX- en geladen deeltjes allerhande materialen. “We verliezen materiaal. Tienden van millimeters. Materiaal moet bewust gekozen worden voor die omgeving”, zegt SkimSat Projectmanager Akos Haasz (35) bij Redwire Europe. De hoogte waarop de VLEO-satelliet baantjes trekt, zal evolueren met de zonnecycli want die beïnvloeden de dichtheid van de atmosfeer. “Het kan enkele tientallen kilometers schelen.” Het Digitally Engineered Mission Systems & Integration platform van Redwire zal de VLEO programma’s ondersteunen. DEMSI bouwt op de fysica en ruimteweermodellen om de atmosferische drag en materiaaldegradatie door atomaire zuurstof tegen te gaan.
De lancering wordt ten laatste in 2027 voorzien. “Dat wordt zelfs krap”, weet Preud’homme. Het doel is om gedurende vijf jaar operationeel te zijn. “Voor de demomissie mikken we op een ontwikkelingsbudget van zo’n 20 miljoen euro. We waren even on hold wegens de financiering maar zijn nu net weer vertrokken.” De elektrische propulsie blijft een uitdaging. “We kijken naar een alternatief dat nog meer off-the-shelf is. Maar ook dat vergt steeds aanpassingen aan de satelliet.”
Drivers
“Phantom en SabreSat zijn beiden Redwire producten maar er is geen engineeringsamenwerking tussen Europa en de VS. Op dit soort technologie staan immers exportcontroles en -restricties”, verduidelijkt Haasz. “Wij ontwikkelen met SkimSat één enkel, uniek toestel. De demomissie moet bewijzen dat VLEO kan”, zegt Haasz. “We de-risken de engineeringuitdagingen. Maar follow-up bestellingen zijn mogelijk. Iedereen wil daarom snel gaan. Time-to-market is belangrijk. Het is dus wel een race tegen de klok.” Vandaag bevindt het project zich nog in de preliminaire design fase. Haasz’ business development team bereidt ondertussen de volgende fase -detailed design- voor. Na de ‘critical design review’ gaat men componenten bouwen en dan…
Drivers voor VLEO zijn dus de congestie van de hoger gelegen banen en het risico van ruimteschroot. “Collisies zijn zeldzaam maar mogelijk. Anderzijds zijn er steeds betere systemen om ruimteschroot te monitoren en daarop te manoeuvreren.” Maar ook het feit dat men naar de lager gelegen banen kan schuiven met zo goed als off-the-shelf technologie motiveert.
“We zullen off-the-shelf componenten gebruiken maar ook eigen componenten. Onze avionica is van eigen design”, zegt Haasz. Een derde driver is de uit de hand lopende kost van steeds geavanceerdere apparatuur. “Je kan met VLEO op de helft van de hoogte vliegen waardoor je met minder hoogwaardige en goedkopere apparatuur eenzelfde kwaliteit of beter levert.”
Wellicht worden de ruimtetuigen ingezet in LEO bij een rideshare-lancering -als het ruimtevaartuig tegelijk met vele andere kleine satellieten wordt gelanceerd. Het VLEO-toestel wordt in LEO in gebruik genomen om geleidelijk naar de beoogde VLEO-baan te schuiven. Haasz wijst er echter op dat in VLEO elke anomalie -zeker aan de voortstuwing- sneller opgevolgd moet worden omdat de ‘drag’ meedogenloos trekt.
Kader 1: Verhaert, Qinetiq, Redwire
Vice-president business development Redwire Europe Frank Preud’homme (58) vervoegde het Kruibeekse bedrijf toen het nog Verhaert heette en een vijftal mensen telde. “Toen het Engelse Qinetiq de activiteit in 2005 overnam was het de ambitie een Europees bedrijf uit te bouwen. Maar na 15 jaar was er nog steeds een Britse én Belgische entiteit. De ruimteactiviteit groeide in België terwijl die in het VK plaats maakte voor defensie. Een Europese strategie bleef uit. We werden te koop gezet. Het Amerikaanse Redwire kwam relatief laat in de picture maar cultureel klikte het snel. Sinds oktober 2022 zitten we in een groep die volledig focust op ruimtevaart.” Een goeie fit. “Enerzijds is de grote VS-markt nu ook bereikbaar voor ons terwijl Redwire een grotere voetafdruk krijgt op de groeiende Europese markt.” De voorbije vijf jaar verdubbelde Redwire Europe zijn omzet en het aantal medewerkers, nu een 180-tal.
Redwire is vier jaar geleden opgericht door risicokapitalisten die een nieuwe midgrote speler in de markt wilden zetten. Een startup nog. Op drie jaar tijd kochten ze echter een 9-tal bedrijven op. “Sinds vorig jaar zijn die meer als één bedrijf gestructureerd. In de VS zijn er twee grote business units met samen 700 mensen. In de EU zijn wij de derde business unit. Redwire Europe is goed voor een kwart van de mensen en omzet.” Een eerdere divisie in Luxemburg met een 30-tal mensen valt nu ook onder Redwire Europe.
Kader 2: GEO, MEO en LEO
Satellieten in een GEO-stationaire baan hangen op 36.000 km hoogte permanent boven één bepaald punt op aarde. Het gaat om weer-, tv en communicatiesatellieten. MEO (Medium Earth Orbit) satellieten, zoals GPS, Gallileo en andere navigatiesatellieten, hangen typisch op 5.000 tot 20.000 kilometer hoogte. LEO (Low Earth Orbit) communicatie- en internetsatellieten hebben banen van 500 tot 1.200 km. Het International Space Station (ISS) zit in zo’n baan. In de hele aardruimte zou er meer dan 8.000 ton afval hangen. Het gaat o.a. om zo’n 30.000 brokken ‘uitgeleefde’ satellieten en ruimterommel, zooi van enkele centimeter tot… veel groter.
Al dat puin moet in de gaten gehouden worden want je wil er niet tegenaan vliegen met je dure satelliet. Het US Space Surveillance Network houdt een catalogus bij van stukken groter dan 5 à 10 cm in een lage baan rond de aarde (LEO) en 30 cm tot 1 m in een hogere geostationaire (GEO) positie. NASA schat dat er zo’n half miljoen stukjes puin van 1 tot 10 cm grootte in een baan om de aarde cirkelen. En 128 miljoen stukjes groter dan 1 millimeter. In een lage LEO-baan rond de aarde kunnen die dingen een snelheid halen van zo’n 8 km/s of bijna 30.000 km per uur. Dat kan behoorlijk pijn doen. En het gevolg is: nog meer schroot.
